一种基于实时血流成像的显微手术术中组织灌注自动重建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于实时血流成像的显微手术术中组织灌注自动重建方法，通过术中显微镜的两个导光束通道以及RGB

【技术实现步骤摘要】
一种基于实时血流成像的显微手术术中组织灌注自动重建方法


[0001]本专利技术涉及光学成像领域，特别是涉及一种基于实时血流成像的显微手术术中组织灌注自动重建方法。

技术介绍

[0002]在现代医疗中，手术显微镜对于外科医生而言是必不可少的。根据需要选择不同的放大倍率，可以提供手术视野的放大视图，使得医生甚至可以在肉眼几乎不可见的结构上进行操作，尤其用于神经外科手术，处理如毛细血管或神经等精细结构。同时，由于光源直接并入手术显微镜内部，手术显微镜也可以提供良好的手术视野照明。
[0003]现有的技术及普遍使用的手术显微镜设备主要为外科医生提供形态学观测辅助，而无法实时反映血管中的血流速度、组织的血流灌注等功能信息。这些附加信息对于神经外科类的手术具有十分重要的意义。例如，在颅内动脉瘤夹闭术及脑血管畸形切除术中，实时监测脑血流有利于术者动态掌握异常血流的阻断程度，同时避免正常血管的误夹闭；脑血管搭桥手术过程中，脑皮层血流的实时监测还可以帮助评估桥血管的通畅程度及脑血流是否恢复到正常水平。
[0004]在血管血流成像方面，激光散斑成像(laserspeckleimaging,lsi)技术作为一种新兴的血管、血流光学成像办法，通过分析漫反射激光经过不同传播路径相干叠加后造成的“散斑”，就可以得到可视化定量的实时组织血流灌注图像，是一种无标记的、非接触式、无需造影剂、高时间和空间分辨率的二维全场血流成像方法。在生物医学应用方面，lsi技术已经被用来研究皮肤、视网膜、视神经以及肠系膜等组织器官的表层血流特征。此外，由于能够方便得到脑皮层血流实时二维分布图，该技术也十分适合研究不同生理和病理状态下脑皮层的血管网络和血流分布。
[0005]但是目前已有的系统仅考虑了观察区域中的血流速度，而忽略了血氧饱和度的变化信息，使得不能更为全面具体的检测观察区域中的生物信息变化。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种基于实时血流成像的显微手术术中组织灌注自动重建方法，通过术中显微镜的两个导光束通道以及RGB
‑
IR摄像机，使用近红外光和白光轮流照明，采集术中原始激光散斑图像(相机近红外通道)和白光照射下的RGB彩色图像。利用原始激光散斑图像构建多角度散射随机矩阵，并分别计算单次和多次散射光强的二阶中心矩，并通过蒙特卡洛仿真得到术中表层和深层组织的血流信息，产生优化系数c；利用RGB 彩色图像计算组织表面血氧饱和度信息，结合血流速度和血氧饱和度实时计算组织区域灌注量。
[0007]技术方案：基于实时血流成像的显微手术术中组织灌注自动重建方法，包括如下步骤：
[0008]步骤S1，照明和图像采集方法为：将780
‑
850nm激光器产生的激光光源和白光接入术中显微镜的两根导光束，并控制每个导光束依次通光，通光的频率要设定在即能够分析出连续小时间窗口内的血样变化和血流速度，又要保持一定的频率以满足实时性。使用摄像机(RGB
‑
IR相机)的近红外(IR) 通道同步连续采集原始散斑图像，使用摄像机的(RGB)通道采集白光下的彩色RGB图像。
[0009]步骤S2，对彩色RGB图像进行三通道的分离和线性组合，计算开始时间血氧饱和度：
[0010]首先，将RGB彩色图像分解成三通道的灰度图，利用血液中含氧血红蛋白和非含氧血红蛋白之间对特异波长的光的吸收系数之间的差异，对RGB三通道的灰度值进行线性组合得到PPG信号；
[0011]其次，利用PPG信号求得在一定时间段内开始阶段的血氧饱和度。
[0012]步骤S3，所述步骤S3中构建协方差矩阵M
H
的公式如下：
[0013][0014]上式中，矩阵与S
H
同样大小，中的元素值为S
H
矩阵中对应位置元素所在行的均值，为矩阵的转置。
[0015]步骤S4，对采集到的N＝n张原始散斑图像中感兴趣区的像素点灰度值计算该空间邻域中的衬比度K
st
如下
[0016][0017]其中N为所采集的原始散斑图像帧数，Ns代表空间邻域宽度，p表示像素的序号，I
p
代表N帧原始散斑图像中同一位置处对应的空间邻域内共个像素中第p个像素的灰度值，为这个像素灰度的平均值。
[0018]步骤S5，利用空间邻域中的衬比度计算该处对应的生物组织的血流速度：
[0019][0020]步骤S6，利用RPE算法将固定时间段内的时间称比算法和空间称比算法相结合，提高时间分辨率和可靠性，RPE理论将足够短的相机曝光时间[t0，t1] 内的光散射现象视为一个连续的随机过程，用Y(t)表示t时刻光强积分的随机变量，那么可以认为在这个足够短的时间内，成像区域中散射粒子的运动速度保持不变。对连续的N帧散斑图像，某一像素点处的光强标准偏差用 3
×
3的时间窗来计算，衬比度值可表示为：
[0021][0022]其中，t0表示曝光时间[t0，t1]的起始时刻，σ
rpe
是随机过程标准差的估计值，μ
rpe
是随机过程均值的估计值，和为随机过程均值和标准差的理论值，k
y
是衬比度值的理论
值。
[0023]步骤S7，利用仿真得到修正血流速度的参数c：
[0024]使用蒙特卡洛仿真模拟激光散斑在不同深度下的分量大小，并得到表层血流速度占整体的比例，即得到血流速度的修正参数c，通过修正参数c计算修正后的血流速度，即表层血流速度v
’
[0025]由于红外激光在组织中的穿透深度要大于白光在组织中的穿透深度，因此得到的血流速度和血氧饱和度变化并不来源于同一深度位置。为了修正这个误差，使用蒙特卡洛仿真模拟激光散斑在不同深度下的分量大小，并得到表层血流速度占整体的比例，得到血流速度的修正参数c。
[0026]步骤S8，重复步骤S2，计算结束时间血氧饱和度。
[0027]步骤S9，结合该时间段内的血氧饱和度变化值和血流速度共同计算灌注量，由于考虑了时间段内血氧饱和度的变化情况，优化了灌注量的计算。
附图说明
[0028]图1是本专利技术一种基于多角度散射随机矩阵的内窥镜用术中血流成像方法的流程图；
具体实施方式
[0029]下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。
[0030]实施例1：
[0031]如图1所示，本专利技术提出的一种基于多角度散射随机矩阵的内窥镜用术中血流成像方法，具体包括以下步骤：
[0032]步骤S1，照明和图像采集方法为：将830nm激光器产生的激光光源和白光接入术中显微镜的两根导光束，并控制每个导光束依次通光，通光的频率要设定在即能够分析出连续小时间窗口内的血样变化和血流速度，又要保持一定的频率以满足实时性。使用摄像机(RGB
‑
IR相机)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于实时血流成像的显微手术术中组织灌注自动重建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，将780
‑
850nm激光器产生的激光光源和白光分别接入术中显微镜的两根导光束，并控制每个导光束依次通光，使用RGB
‑
IR摄像机的近红外通道同步连续采集原始散斑图像，使用RGB
‑
IR摄像机的RGB通道采集白光下的彩色RGB图像；步骤S2，对彩色RGB图像进行三通道的分离和线性组合，计算开始时间血氧饱和度；步骤S3，对原始散斑图像的每一个像素位置，构建初始散射光强矩阵；步骤S4，对采集到的N＝n张原始散斑图像中感兴趣区的像素点灰度值计算该空间邻域中的衬比度；步骤S5，利用空间邻域中的衬比度计算该处对应的生物组织的血流速度；步骤S6，利用RPE算法将固定时间段内的时间称比算法和空间称比算法相结合，提高时间分辨率和可靠性；步骤S7，利用仿真得到的结果修正血流速度；步骤S8，重复步骤S2，计算结束时间血氧饱和度；步骤S9，结合该时间段内的血氧饱和度变化值和血流速度计算灌注量。2.根据权利要求1所述的基于实时血流成像的显微手术术中组织灌注自动重建方法，其特征在于：所述步骤S1中通光的频率要设定在即能够分析出连续小时间窗口内的血样变化和血流速度，又要保持一定的频率以满足实时性；通光的频率范围设定为5～20Hz。3.根据权利要求1所述的基基于实时血流成像的显微手术术中组织灌注自动重建方法，其特征在于：所述步骤S2中，首先，将RGB彩色图像分解成三通道的灰度图，利用血液中含氧血红蛋白和非含氧血红蛋白之间对特异波长的光的吸收系数之间的差异，对RGB三通道的灰度值进行求解血氧饱和度SpO2的值T。4.根据权利要求1所述的基于实时血流成像的显微手术术中组织灌注自动重建方法，其特征在于：所述步骤S3中构建初始散射光强矩阵M
H
的公式如下：上式中，矩阵为均值矩阵，其与S
H
同样大小，中的元素值为S
H
矩阵中对应位置元素所在行的均值，矩阵为中心化的数据矩阵，为矩阵的转置。5.根据权利要求1所述的基于实时血流成像的显微手术术中组织灌注自动重建方法，其特征在于：所述步骤S4中对采集到的N＝n...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗鹏，童善保，王自明，
申请(专利权)人：南通市瑞祥健康医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：